虛擬仿真平臺建設利用策略*

曹洪玉，馮寶民，唐 川，史麗穎

(大連大學生命科學與技術學院, 遼寧省制藥工程技術與生物工程技術虛擬仿真實驗教學中心，遼寧 大連 116622)

實踐教學是激發學生探索欲望和創新精神的必要途徑，是培養學生實踐能力的必經過程，是發揮高校產學研結合的必需環節。許多工程類學科是實踐性很強的應用學科，要求實踐教學環節占較高比例[1]，由于學科的自身特點，實踐教學工作往往存在大量困難。以制藥工程和生物工程為例，兩個專業所需實踐教學設備種類多，實驗項目開設成本過高；大型設備臺套數有限，難以保證每個學生都有實際操作機會；兩專業面向的藥品、食品等企業[2]對于衛生、環境及安全性要求頗高[3]，難以接納大量學生進行實習。這些問題都為相關實踐教學開展帶來一定困難，很大程度上限制著學生專業知識的應用和工程實踐能力及創新能力的培養。

虛擬仿真技術的應用[4]為上述問題的解決提供了一條新的思路，但制藥工程和生物工程設備技術更新速度較快，自動化設備發展迅速，相關虛擬資源需要半年至2年的開發周期，若開發期間不能使用，完成后不及時利用，則很快會面臨技術落后的尷尬境地。因此，將平臺建設過程中所涉及的知識與方法合理發掘，使資源應用最大化的思路勢在必行。

以我校省級制藥工程技術與生物工程技術虛擬仿真實驗教學中心建設情況為例，中心目前主要承擔制藥工程、生物工程、生物技術等專業的虛擬實驗教學任務，建設許多制藥工程和生物工程虛擬仿真實驗教學資源項目，在以上資源建設過程中，在重視過程利用，爭取時效思路下，積極運用相關資源開展科研與教學工作，產生較為明顯成效。

1 重視過程——虛擬仿真中心建設思路拓展

教育部提出虛擬仿真中心建設目標為堅持“資源共享、持續發展”的指導思想，以提高學生的質量意識、實踐能力和創新思維為宗旨，以虛擬仿真實驗教學資源建設為重點，建設成為具有良好教學效果虛擬仿真實驗教學示范中心。本文在這一建設思想基礎上進一步拓展和豐富，提出重視過程，爭取虛擬仿真資源利用時效策略。

為保證虛擬教學平臺資源充分利用，首要思路是資源使用不能僅局限于課堂的虛擬教學中，在開發虛擬仿真資源建設過程中，注重發現和發掘所涉及的知識與方法，思考其在教學外環節中使用設計，保證資源學習的深入性，提升資源使用時效性，使資源得到最大化應用。

虛擬仿真資源建設過程是一個與時俱進的長期工程，需要學校、企業的緊密合作，需要教師、學生的持續參與。因此充分發掘資源建設過程的使用價值，保證資源時效性和實效性，既需注重引入資源建設平臺，也需注重自主創新研發，促進產學研結合，將建設過程融入到教師的科研和學生的學習中，這一思路同時為制藥工程和生物工程專業今后的工程教育專業認證[5]工作打下堅實基礎。

2 爭取時效——資源建設過程的發掘利用策略

2.1 前沿成果時效——發揮教師科研優勢

教師的科研成果豐富，是極為重要的教學資源，但科研成本昂貴，不能直接用于教學，為此教師根據自己的科研成果，設計相關的虛擬科研模型，重要的成熟的科研流程及重要特殊設備也可開發為新的虛擬仿真軟件，供學生學習。本策略建設思路包括以下三個方面：

(1)教師自行設計開發，將學院教師強大的科研實力融入到仿真實踐教學中，積極將科研成果轉化為實驗教學資源，實現實驗教學裝備的現代化，使學生接受最新科技成果的熏陶和培養，鼓勵教師出版各類信息化的實驗教學素材。

(2)鼓勵教師將資源設計成學生課題項目，讓學生參與資源的開發建設，學生在此過程中對科研加深了解，發掘自己的科研方向和科研興趣，更有目標性和針對性地學習；大三、大四學生參與到發表科研論文、撰寫專利等過程，相關成果可以用于參加創新比賽等，一舉多得，學生學以致用，促進學生學習的興趣，同時也促進虛擬仿真中心教師科研工作的發展。

(3)教師與企業合作開發資源，如果教師科研成果較為先進，價值高，或難度過大，教師可以聯合企業進行開發，同時學習企業相關開發思路，促進教師科研工作；教師也可以利用虛擬仿真教學中心的相關資源開展科研工作，根據中心資源開展的科研工作更容易地與教學實踐相結合。

2.2 先進技術時效——引進企業先進資源

制藥工程或生物工程相關企業的實際生產車間、設備是極為重要的教學資源，由于專業的特殊性，企業車間和設備在高校實驗室中是不可得或不可多得的教學資源。高校學生若無法親臨生產車間實習，無法實際操作關鍵先進設備，學生必然與企業脫節。為此，通過聯系制藥工程和生物工程企業制作相關虛擬仿真軟件，可以提高教學水平。將企業的先進生產工藝及規范流程虛擬仿真化，將車間、重要設備等拍照或者錄像，制作成實景三維虛擬仿真軟件供學生操作使用。現實生產車間可通過三維虛擬化技術，變成可操作的實訓課堂，把知識點融入到虛擬場景中，彌補教學脫離實踐的不足，并借機開展校企聯合教學[6]。

以上舉措一則在教學方面可以彌補學生無法學習操作重要實際生產設備的缺陷，另一方面可以促成學生直接和企業的接軌，培養學生的工程素質[7]。企業設備更新較快，為加強與企業的聯系，學校邀請企業相關人員到學校培訓學生，企業也可以采用建設的仿真軟件培訓新員工，這無疑對高校人才培養和企業員工培訓都有巨大促進作用，這在一定程度上也帶動學生的就業。

2.3 創新方法時效——與創新創業相結合

創業創新人才是高校人才培養的新方向[8]，學生對創新實踐和創業活動非常感興趣，具有極大的熱情參加創新創業活動[9]。虛擬仿真建設過程可借此契機進一步發展，為學生提供更好的實踐平臺。創新實踐項目可來自中心教師的科研、教學資源；創業項目可采用仿真教學平臺的已有企業生產工藝軟件資源、自主開發虛擬仿真教學資源、專利及合作公司產品等；創業項目也可在與制藥企業或生物工程企業合作時尋找新的合作項目，成立相關校內工作室或依托于(或合作)虛擬仿真中心的校外創業公司。在以上思路基礎上，指導學生在此平臺中進行國家級、省級等多項創新、創業課題，項目驅動下學生興趣大增[10]，創意無限。教師指導與學生創意結合，可促進平臺資源的建設，提高虛擬仿真資源的利用率，拓寬學生就業和創業思路。

2.4 抓住各類競賽時機

虛擬平臺已有資源較為豐富，學生能力有一定提升，但只有課堂操作學習，學生并不能完全領悟平臺資源內容。需求是最好的興趣引發劑，為激發更多學生的學習興趣，讓更多學生從這個教學平臺中受益，獲得更大成績，還需與各級各類競賽結合，以賽促教、以賽促學[11]。互聯網+或者工程類設計大賽等均是學生大顯身手的舞臺，引導學生參加各級各類比賽，可以在比賽實踐過程中指導學生綜合運用各種資源[12]，在具體應用中加深對各虛擬實踐環境的認識。學生為在競賽中獲得優勢，往往不滿足于現有資源，會創新性提出一些新資源的建設需求，這無疑對平臺建設發展是極為有利的，對學生綜合運用知識的能力提高是有利的。

2.5 已有教學資源時效

圖1 虛擬仿真中心平臺資源建設過程的發掘利用策略簡圖Fig.1 Utilization strategy of the construction process for virtual reality simulation teaching platform

如果虛擬仿真教學中心資源過少且不更新教學資源，則難以實現可持續性發展，需要對虛擬仿真實驗室認真評估定位，引入相關資源。本中心針對制藥工程、生物工程專業建立，這兩個專業均與化學化工專業、計算機專業、機械專業、藥學等其他許多專業密切相關，可依托學校網絡基礎，借助學校力量，整合校內外各種可用的且合理合法的教學資源，構建綜合實驗教學體系[13]。中心引入工程制圖、化工制圖、生物大分子模擬、藥物設計等軟件，避免專業限制，實現相關相近仿真資源共享，教師學生接觸不同專業的軟件，無論在科研還是教學，都可以有更多的選項。

3 虛擬仿真實驗教學不足與改進

虛擬仿真實驗教學目前面臨的許多內在問題亟需解決[14]。虛擬仿真實驗教學資源雖然是在實際的企業車間設備和教師科研成果基礎上建立而成的，但是實際上屬于電腦虛擬操作或者儀器模型操作，一定程度上不能完全取代實際設備操作，因此部分學生在學習過程中會不可避免的出現學習態度不重視、模擬體驗效果不完善等情況。在虛擬仿真教學過程中教師與學生的實際體驗也不能與實際車間工作相提并論，設備操作無實物感，結果也趨于理想化，實際出現的問題可能無法完全呈現在軟件或模型中，因此教學也有一定的難度。企業的先進生產工藝和生產設備不斷涌現，虛擬仿真資源建設要緊跟社會主要企業生產工藝的發展，資源建設周期較長，難度較大，因此建設資源選擇要慎重，要有時效預見性，避免建設后工藝落后而產生浪費情況。

在此還需特別指出，理論教學要先于仿真教學，仿真教學先于實習環節，仿真教學是理論教學的“復習課程”，是實習、實踐教學環節的“預習課程”，學生實習結束后，可以再開放實驗室讓學生自主復習回顧，完成“理論學習——虛擬訓練——企業實習見習——虛擬訓練回顧”整個過程。

虛擬仿真教學資源建設過程往往時間交叉，在建設過程中讓教師和學生參與，既讓教師和學生在建設過程中加強對資源充分了解，也珍惜使用建設過程的時間，保證資源時效，這是對資源最大程度的充分利用。教師在競賽、創新創業課題和企業實踐等指導過程中也注意引導學生對虛擬仿真實驗內容的綜合運用；充分利用教師科研和企業資源，才能使得產學研結合效果更加明顯。

4 結 語

通過重視虛擬仿真教學實驗室建設過程利用策略，根據不同建設過程的需求充分挖掘其知識與方法，保證仿真資源時效性，設立良好的建設和運行機制，設定不同實驗和實踐教學環節，與企業緊密合作，實現科研共享、企業共享、校級共享。虛擬仿真資源建設不斷跟進新技術，不斷更新資源過程中，珍惜和重視資源建設過程，在建設過程中讓教師、學生持續參與，建設初期即用于教學，發掘利用其建設過程的價值，在持續發展過程中提高教學水平，提高學生實踐能力，以更符合社會企業的對人才的需求。